Микрофизика дамуының кезеңдері

Жұмыс түрі: Материал
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 28 бет
Таңдаулыға:

1-лекция. Кіріспе

Микрофизика дамуының кезеңдері

Бөлшектер арасындағы өзара әсерлесу түрлері

Атомдық жүйелердің түрлері және олардың құрамы

Атомдық физикадағы арақашықтық, энергия және өмір сүру
уақытының әдеттегі мәндері

Атомдық физика - кванттық құбылыстар физикасы:
макроскопиялық заңдардан микроскопиялық заңдардың айырмашы-
лығы; микробөлшектердің жалпы ерекше қасиеттері жайында

1. Микроскопиялық құбылыстар физикасы - микродүние физикасының пайда
болуы және дамуының маңызды кезеңдері:
- заттың атомдық-молекулалық құрылысының тағайындалуы (19 ғ.);
- атомдар мен молекулалардың өздерінің және бұлардан құралған
макроскопиялық денелер құрылысының айқындалуы және кванттық қасиеттердің
зерттелуі (19 ғ.аяғы және 20 ғ. алғашқы онжылдықтары);
- атомдық ядролардың құрылысы мен қасиеттерінің зерттелуі және үлкен
энергиялы әр алуан элементар процестерінде пайда болатын және жойылатын
элементар бөлшектердің көптеген түрінің ашылуы және зерттелуі (20 ғ.
ортасы және қазіргі кезең).
2. Бөлшектердің өзара әсерлесуінің төрт іргелі түрі бола-
тыны белгілі: электромагниттік, күшті (ядролық), әлсіз және гравитациялық.
Біріншісі электрлік зарядталған бөлшектер арасында, соның ішінде, атомдық
жүйелердің байланысқан электрондары арасында, осы жүйелердің электрондары
мен ядролары арасында және ядролардағы протондар арасында іске асады.
Электромагниттік әсерлесу күші байланыс тұрақтысы - нәзік түзіліс
тұрақтысымен

сипатталады, мұндағы - Планк тұрақтысы, – электрлік тұрақты;
Электромагниттік күштер күш көзінен кез келген қашықтықта білінетін,
алыстан әрекет етуші күштер болып табылады.
Ядролардың құрылымдық бөлшектері – протондар мен нейтрондар
арасындағы байланысты қамтамасыз ететін ядролық күштер (күшті әсерлесу)
жақыннан әрекет етеді. Әрекет ету радиусы ( м.
Ядролық күштердің байқалатын мәндерін түсіндіру үшін күшті
әсерлесулер өлшемділіксіз байланыс тұрақты-
сымен сипатталады деп есептеу керек, мұндағы g − ядролық күштер өрісіне
тән шама. Осыған ұқсас әлсіз әсерлесу
күші өлшемділіксіз тұрақтымен анықталады, мұндағы G – әлсіз
әсерлесулер өрісіне тән тұрақты мағынасына ие, mp - протон массасы. Соңғы
екі қатынасты салыстыру әлсіз әсерлесу күшінің күшті әсерлесу күшінен көп
қатарға кіші екендігі көрінеді. Әлсіз күштердің әрекет ету радиусы (
м.
Гравитациялық әсерлесу күші өлшем-діліксіз тұрақтымен анықталады,
мұндағы ( - гравитациялық тұрақты. Бұдан көрініп тұрғандай, гравитациялық
әсерлесу микродүниеде өте болмашы аз шама, сондықтан атомдық физикада оны
әдетте елемейді.
3. Атомдық физика атомдық жүйелердің – атомдар, молекулалар және
кристалдардың ішкі құрылысын зерттейді. Молекулалардағы атомдар арасында
және кристалдардағы бөлшектер арасында табиғаты электромагниттік байланыс
күштері әрекет етеді.
Атом – химиялық элементтің оның химиялық қасиеттеріне ие ең кіші
бөлшегі. Молекула – екі немесе одан көп атомдардан құралған химиялық
қосылыстың оның химиялық қасиеттері сақталатын ең кіші бөлшегі.
Молекулалардағы атомдар арасында және кристалдардағы бөлшектер арасында
әрекет етуші байланыс күштерінің табиғаты электромагниттік.
Жалпы алғанда атомның құрылысы мынадай. Центрінде оң зарядталған ядро
болады, оның айналасында оның электр өрісінде теріс зарядталған бөлшектер –
электрондар қозғалып жүреді. Атомдық ядро протондар мен нейтрондардан
тұрады. Протонның заряды оң, Кл, ал массасы , мұндағы кг
электрон массасы.
Нейтрон электрлік бейтарап және оның массасы , яғни протон мен
нейтрон массалары өзара біріне бірі өте жақын. Ядродағы протон саны Z
тиісті элементтің атомдық нөмірі деп аталады. Ядродағы протон мен
нейтронның қосынды саны A=Z+N массалық сан деп аталады. Протон мен
нейтронның массалары электрон массасынан едәуір үлкен болғандықтан атом
массасының басым бөлігі ядро массасына келеді.
Атомдық ядроның Ze заряды атомның берілген химиялық элементіне
жататынын анықтайды. Сонымен, ядро құрамы Z және А мәндерімен толығынан
сипатталады. Бейтарап атомдағы электрон саны Z−ке тең. Атом к–электронынан
айырылғанда оң зарядталған ион – k–мәрте иондалған атом пайда болады.
Электрондық қабықпен бейтараптандырылған берілген ядро нуклид деп
аталады. Z−і бірдей бірақ A-сы әр түрлі нуклидтер изотоптар деп аталады.
Элементтердің көпшілігі бірнеше изотоптан тұрады. Мысалы, табиғи сутегі
екі изотоптан тұрады: cутегі (A=1) және дейтерий (A=2).
Атомдық жүйелердің ерекше типіне құрамына электронды немесе протонды
алмастырушы бөлшек кіретін орнықсыз атомдар немесе молекулалар жатады.
4. Микроскопиялық құбылыстарды оқып-үйренгенде кездесетін
арақашықтықтарға тән мәндер атомдар және бұлардан құралған қарапайым
молекулалардың сызықтық мөлшерлерінің реттік шамасымен
10-10 м= 10-8 см= 10-1 нм (1)

және атомдық ядролардың сызықтық мөлшерлерінің реттік шамасымен
10-15 м= 10-13 см= 10-6 нм (2)
анықталады.
Микробөлшектердің сызықтық мөлшерлерінің күнделікті тіршілікте
кездесетін макроскопиялық денелермен салыстырғанда кішілігі атомдық физика
және ядролық физика жайында физиканың микроскопиялық құбылыстар бөлімдері
деп айтуға мүмкіндік береді.
Микрофизикадағы қашықтықтардың төменгі табиғи шека-
расы тағайындалмаған. Эксперимент техникасы жетілдірілген сайын өлшеуге
келетін ең кіші қашықтықтар барған сайын кішірейе түсуде. Қазіргі уақытта
олардың реттік шамасы 10-17 м.
Енді микробөлшектердің энергиялары жайындағы мәселеге тоқталайық.
Бұларды өлшеу үшін энергияның жүйеден тыс бірлігі − электрон–вольт (эВ)
қолданылады 1 эВ=1,6(10-19 Дж.
Атомдық–молекулалық құбылыстар үшін бұларға тән энергиялардың реттік
шамасы ретінде (10 эВ (3) мәнін алуға болады. Бұл бейтарап атомдарды
иондау энергияларының, яғни атомдардан ең әлсіз байланысқан электрондарды
жұлып шығаруға жұмсалатын энергиялардың реттік шамасы және диссоциация
энергияларының, яғни қарапайым молекулалардағы химиялық байланысты үзуге
жұмсалатын энергиялардың реттік шамасы. Мысалы, сутегі атомының иондану
энергиясы 13,6 эВ, гелий атомы үшін − 24,6 эВ, цезий атомы үшін −3 ,9 эВ,
сутегі молекуласының диссоциация энергиясы 4,5 эВ, азот молекуласы үшін
9,8 эВ-қа тең.
Атомдық физиканы сызықтық мөлшерлер мен энергия-
лардың реттік шамалары (1) және (3) болатын атомдық-моле-
кулалық дәрежеде микроскопиялық құбылыстар физикасы ретін-
де баяндағанда атомдық ядролардың қасиеттері атомдар мен молекулалардың
құрамдық бөліктері ретінде ғана қарастыры-
лады; осы жағдайда ядролар оң зарядының, массасының, мөлшері мен
моменттерінің (механикалық, магниттік және электрлік) нақты мәндерімен
сипатталады.
Атомдық физикада (1) және (3) тиісті мәндеріне қатысты сызықтық
мөлшерлер мен энергиялар жеткілікті кең ауқымда өзгереді. Сызықтық
мөлшерлер үшін ұзындықтар шамамен 10-7 - 10-5 см-ден (өте үлкен
молекулалар мөлшері) 10-10 см-ге дейін (ауыр атомдардың ішкі электрондық
қабаттарының мөлшері). Энергиялар үшін тиісті ауқым бұдан да кең және эВ-
тың миллиондық бөлігінен (атомдар мен молекулалардағы элек-
трондардың ядролар моменттерімен аса нәзік әсерлесу энер-
гиялары) он мыңдаған эВ-қа дейін (ауыр атомдардың ішкі қабаттарындағы
электрондардың байланыс энергиялары). Бірақта осы жағдайда ең кіші
ұзындықтар ядролардың мөлшерлерінен көп үлкен, ал ең үлкен энергиялар
ядролық энергиялардың мәндерінен көп кіші болады да, атомдық молекулалық
құбылыс-
тар аймағы ядролық құбылыстар аймағынан жеткілікті дәрежеде шектелген
болады.
Микрофизикадағы көптеген процестердің ұзақтығы уақыттың
макроскопиялық масштабы тұрғысынан болмашы аз уақыт аралығын
құрайды. Мысалы, атомдық жүйенің бір күйден басқа күйге ауысуы көп
жағдайда шамасы 10-8 с уақыт аралы-
ғында өтеді.
Атомдық=молекулалық құбылыстар (иондану, диссо-
циация) үшін энергияның реттік шамасы ~10эВ деп алуға болады (1эВ=1,6(10-19
Дж). Микрофизикада көптеген құбылыстардың ұзақтығы ~10-8 с.
5. Жеткілікті кіші қашықтықтарда және массалары жет-
кілікті кіші бөлшектер үшін классикалық физикада белгісіз
және кванттық механикада бейнеленетін кванттық деп аталатын ерекше
құбылыстар орын алады.
Кванттық механика заңдарының маңызды ерекшелігі бұлардың
макроскопиялық заңдармен салыстырғанда әмбе-
баптығы болып табылады. Классикалық заңдарға қарағанда микроскопиялық
заңдар әртүрлі процестердің жасырын меха-
низмдерін, соның ішінде элементтердің байқалатын магниттік қасиеттеріне,
әр түрлі заттардың химиялық белсенділігіне немесе инерттілігіне себепші
болатын механизмдерді ашуға мүмкіндік береді. Кванттық механикада
физикалық оқиғалардың болу ықти-
малдықтары бағаланады.
6. Микробөлшектерге макробөлшектерде жоқ екі іргелі қасиет тән:
микробөлшектер корпускулалық-толқындық екі жақ-
тылы табиғатқа ие; микробөлшектерге ерекше дискреттілік қа-
сиеттер тән.

Сұрақтар

1. Заттың атомдық құрылымы жайындағы гипотезаның дамуының негізгі
тарихи кезеңдері қандай?
2. Атомның құрылысы қандай? Атом ядросының құрылысы қандай?
3. Қандай әсерлесулер іргелі (фундаменталды) әсерлесуге жатады?
4. Іргелі әсерлесулер қандай бөлшектер арасында байқалады?
5. Жеке іргелі әсерлесулер үшін қандай ерекшеліктер тән?
6. Ядролық күштердің табиғаты, әрекеттесу радиусы қандай?
7. Ядро құрамына кіретін оң зарядталған протондар неге ядродан
бытырап ұшып кетпейді?
8. Микробөлшектердің тәртібін бейнелеу үшін классикалық механиканы
неге қолдануға болмайды?
9. Қандай физикалық процестерде электромагниттік әсерлесу өзін
байқатады?
10. Қандай физикалық процестерде күшті әсерлесу өзін байқатады?
11. Қандай физикалық процестерде әлсіз әсерлесу өзін байқатады?

2-лекция. Жылулық сәуле шығару проблемасы.
Энергия кванты

• Жылулық (температуралық) сәуле және оның сипаттамалары
• Қара дене. Кирхгоф заңы
• Қара дененің сәуле шығару заңдары
• Рэлей-Джинс формуласы. Вин формуласы
• Планктың кванттық гипотезасы. Планк формуласы

1. Электромагниттік сәуле шығарудың табиғатта ең көп тараған түрі
жылулық сәуле шығару болып табылады. Жылулық сәуле заттың ішкі энергиясы
есебінен шығарылады, сондықтан да ол температурасы 0 К-нен өзгеше кез
келген температурадағы барлық денелерге тән. Сәуле шығарудың басқа
түрлерінен (бұларды люминесцения деп жалпы ортақ атпен біріктіреді)
жылулық шығарылған сәуленің өзгешелігі - ол сәуле шығаратын денелермен тепе-
теңдікте бола алады. Егер қыздырылған (сәуле шығарып тұрған) денелер
қабырғалары идеал шағылдырушы қуысқа орналастырылса, онда біршама уақыттан
кейін (денелер мен қуысты толтырып тұрған сәуле арасындағы үздіксіз энергия
алмасуы нәтижесінде) термодинамикалық тепе-теңдік орнайды, яғни әрбір дене
бірлік уақытта қандай энергия мөлшерін жұтатын болса, дәл сондай энергияны
шығаратын болады. Осы жағдайда қуыстағы барлық денелердің біреуі жұтқаннан
гөрі энергияны көбірек шығара бастады дейік. Егер бірлік уақытта дене
сәулелік энергияны жұтқаннан көбірек шығарса (немесе керісінше болса), онда
дене температурасы төмендей (немесе жоғарылай) бастайды. Бұл
термодинамиканың екінші бастамасына қайшы келеді, осыдан, шынында да сәуле
шығарып тұрған денелер мен қуысты толтырып тұрған жылулық сәуле өзара
термодинамикалық тепе-теңдікте тұратындығы келіп шығады. Осы жағдайда тепе-
теңдіктегі жылулық сәулеге мұнымен тепе-теңдікте тұрған денелердің
температурасына тең температура таңылады.
Дене бетінің бірлік ауданынан бірлік уақытта жиіліктердің бірлік
аралығында шығарылатын энергия энергетикалық жарқыраудың спектрлік
тығыздығы (немесе дененің сәуле шығарғыштық қабілеті) деп аталады:
, (1)
мұндағы dR - дене бетінің бірлік ауданынан бірлік уақытта жиіліктердің ω-
ден ω+dω-ге дейінгі аралығында шығарылатын электромагниттік сәуле
энергиясы.
Энергетикалық жарқыраудың спектрлік тығыздығы белгілі болса, онда Т
температураға дейін қыздырылған дененің энергетикалық жарқырауын былай
табуға болады:
, (2)
мұнда қосындылау барлық жиіліктер бойынша жүргізіледі.
Денелердің бұларға түсетін электромагниттік сәулені жұту қабілеті
спектрлік жұту қабілетімен сипатталады. Дене бетінің бірлік ауданына
жиіліктері dω аралығында жататын электромагниттік толқындардың dФω сәулелік
ағыны түсетін болсын. Осы ағынның dФω' бөлігі денеде жұтылады.
Өлшемділіксіз мына шама
(3)
дененің спектрлік жұту қабілеті деп аталады. Дененің сәуле жұтқыштық
қабілеті жиілік пен температураның функциясы.
2. Анықтама бойынша a(ω,T) бірден үлкен бола алмайды. Кез келген
температура жағдайында денеге түсетін кез келген жиіліктегі сәулені
талғамай толық жұтатын дене үшін a(ω,T)=1. Осындай дене қара дене деп
аталады.
Қара дене табиғатта болмайды. Дегенмен өзінің қасиеттері бойынша қара
денеге өте-мөте жақын болатын құрылғыны қолдан жасауға болады. Осындай
құрылғы - қара дене моделі-ішкі беті қараға боялған кішкене тесігі бар
тұйық қуыс түрінде істеледі (1-сурет). Осындай қуыстың ішіне енген жарық
сәулесі қабырғалардан көп қайтара шағылады, осының нәтижесінде сыртқа
шығатын сәуле интенсивтігі іс жүзінде нөлге тең болады. Тесік мөлшері қуыс
диаметрінің 0,1 бөлігінен кіші болса, онда барлық жиіліктегі түсетін сәуле
"толық жұтылады".
Жылулық сәуле шығару Кирхгоф заңына бағынады: энергетикалық жарқырау
тығыздығының (сәуле шығарғыштық қабілетінің) спектрлік жұтқыштың қабілетіне
(сәуле жұтқыштық қабілетіне) қатынасы дене табиғатына тәуелді емес, ол
барлық денелер үшін бірдей жиілік пен температураның әмбебап функциясы
болып табылады:
‚ (4)
мұндағы f(ω,T) - Кирхгофтың әмбебап функциясы, яғни қара дененің
энергетикалық жарқырауының спектрлік тығыздығы.
3. Қара дененің шығаратын қосынды (интегралдық) сәулесінің – дененің
барлық толқын ұзындықтарында шығаратын жалпы сәулесінің (Rэ энергетикалық
жарқыраудың) температураға тәуелділігі Стефан-Больцман заңымен анықталады:
, (5)
яғни қара дененің энергетикалық жарқырауы оның термодинамикалық
температурасының төрт дәрежесіне пропорционал; σ=5,6705·10-8Вт(м2·К4) -
Стефан-Больцман тұрақтысы.
Қара дененің, температураның үш мәні үшін алынған сәуле шығарғыштық
қабілетінің толқын ұзындығына тәуелділігі 2-суретте келтірілген. Бұлардан
қара дене спектріндегі энергияның үлестірілуі бірқалыпты емес екендігі
көрінеді: тәуелділіктің әрбір қисығында айқын білінетін максимум бар және
қара дене жиіліктердің өте кіші және өте үлкен аймақтарында энергия
шығармайды деуге болады.
Қара дененің энергетикалық жарқырауы температура өскенде қатты өседі.
Температура жоғарылағанда сәуле шығару қабілетінің максимумы толқын
ұзындықтардың қысқарақ (жиіліктердің үлкенірек) жағына қарай ығысады.
Вин заңына сәйкес қара дененің энергетикалық жарқырауының спектрлік
тығыздығы максимумына сәйкес келетін λmax толқын ұзындығы дененің
термодинамикалық температурасына кері пропорционал болады:
λmax=вТ, (6)
мұндағы в=2,8978·10-3м·К - Вин тұрақтысы.
4. Қара дененің энергетикалық жарқырауының спектрлік тығыздығы үшін
Рэлей-Джинс формуласы
, (7)
мұндағы ‹ε›= кТ - меншікті жиілігі ω осциллятордың орташа энергиясы. Үлкен
жиіліктер аймағында Рэлей-Джинс формуласы эксперимент нәтижесінен және де
Виннің ығысу заңынан қатты ауытқиды (3-сурет). Бұдан басқа, осы формуладан
Стефан-Больцман заңын алу әрекеті ақылға қонбайтын әбес нәтиже береді:
кезкелген температурада қара дененің энергетикалық жарқырауы шексіз үлкен
болады деген қорытындыға әкеледі ("ультракүлгіндік апат").
Үлкен жиіліктер айма-ғында тәжірибемен жақсы үйлесетін формуланы Вин
термодинамика және электро-магниттік теорияны пайдаланып ұсынған:
f(ω,T) = ω3Ғ(ωT), (8)
мұндағы Ғ(ωT) - жиіліктің температураға қатынасының қайсыбір функциясы.
Рэлей-Джинс және Вин формулалары - дербес заңдар. Бұлардың біріншісі
кіші жиіліктерде ((ωkТ), екіншісі үлкен жиіліктерде (((ωkT) дұрыс
спектрлік үлестірілуді береді. Бұл формулалар жиіліктердің барлық аймақтары
бойынша энергия үлестірілуінің жалпы көрінісін бермейді.
5. Планктың гипотезасына сәйкес осциллятор энергиясы тек дискретті
мәндер қабылдай алады, яғни энергияның қарапайым үлестерінің бүтін
сандарына еселі мәндер қабылдай алады:
ε=n(ω (n=0,1,2,...). (9)
Осы жағдайда осциллятордың ‹ε› орташа энергиясы kТ-ға тең деп Рэлей-
Джинс формуласындағы сияқты қабылдауға болмайды. Осциллятордың энергиясы εn
күйде болу ықтималдығы ехр(-εnkТ)–ға пропорционал, бірақ орташа мәндерді
есептегенде (энергияның дискретті мәндері жағдайында) интегралдар
қосындылармен алмастырылады. Сонда осцилятордың шығаратын жиілігі ω
сәулесінің орташа энергиясы
‹ε›= (ω[ехр((ωкТ)-1],
ал қара дененің энергетикалық жарқырауының спектрлік тығыздығы
f(ω,T) =( (ω34π2с2)(1 [ехр((ωкТ)-1] (10)
өрнегімен анықталады. (10) өрнегі Планк формуласы деп аталады. Осы формула
жиіліктердің 0-ден шексіздікке дейінгі эксперимент деректерімен дәл
үйлеседі. (10) функциясы (8) Вин критериін қанағаттандырады. (ωкТ1 шарты
орындалғанда (кіші жиіліктер немесе үлкен толқын ұзындықтар). ехр( (ωкТ)
экспонентаны жуық түрде (1+(ωкТ)-ға тең деп алуға болады; осының
нәтижесінде Планк формуласы (7) Рэлей-Джинс формуласына ауысады.
Планк формуласынан жылулық сәуле шығаруды бейнелейтін дербес (5) және
(6) заңдарды қорытып шығаруға болады.

Сұрақтар

1. Жылулық сәуленің басқа сәуле түрлерінен негізгі айырмашылығы
неде?
2. Кирхгофтың әмбебап функциясының физикалық мағынасы қандай?
3. Қара денені тәжірибе жүзінде қалай іске асыруға болады?
4. Қара дененің сәуле шығару ерекшелігін түсіндіру үшін Планктың
ұсынған ғылыми идеясының мәнісі неде?
5. Егер қара дененің температурасы екі есе өссе, онда оның
энергетикалық жарқырауы қалай және қанша есе өзгереді?
6. Қара дененің температурасы екі есе кеміген. Сонда оның
энергетикалық жарқырауының спектрлік тығыздығының максимумына
сәйкес келетін толқын ұзындығы қалай өзгереді?
7. r(ω‚T)-ны r(λ‚T) арқылы өрнектеңіз.
8. Планк формуласынан Стефан-Больцман, Вин заңдарын алыңыз.

3–лекция. Жарықтың кванттық табиғаты. Фотондар

• Фотондар. Боте тәжірибесі
• Фотоэффект
• Рентгендік спектрдің қысқа толқындық шекарасы
• Комптон эффекті
• Жарықтың корпускулалық–толқындық дуализмі

1. 1900 жылы М. Планк қатты дененің жылулық сәуле спектріндегі
энергияның үлестірілуін түсіндіру үшін қатты дене электромагниттік сәулені
үздіксіз емес, дискретті түрде үлестермен (кванттармен) шығарады, ал
сәуле энергиясы квантының шамасы:

деген постулат ұсынды, мұндағы ( - электромагниттік сәуле жиілігі,
(=1,05(10-34 Дж(с – Планк тұрақтысы.
Планктың кванттық гипотезасын дамыта келе А.Эйнштейн 1905 жылы жарық
кванты жайындағы гипотезасын ұсынды. Осы гипотезаға сәйкес жарық кванттар
түрінде жұтылады және де кеңістікте кванттар түрінде таралады. Эйнштейннің
гипотезасы кейін-нен көптеген тәжірибелерде расталды. Фотондар деп кейіннен
аталған жарық кванттарының болатындығы неміс физигі В.Боте (1891–1957)
тәжірибесінде тікелей расталды (1924). Тәжірибе схемасы 1-суретте
келтірілген. Ф жұқа метал (Fe немесе Cu) фольга екі газразрядты C1 және C2
санауыштар аралығына орналастырылған. Фольга рентген сәулелерінің әлсіз
шоғымен жарықтандырылады, мұның әсерінен фольганың өзі сипаттауыш рентген
сәулесінің көзіне айналады. Осы құбылыс рентгендік флуоресценция деп
аталады. Бастапқы шоқ интенсивтілігі әлсіз болуы себепті, фольга шығаратын
квант саны да көп болмайды. Фольгаға рентген сәулелері түскен кезде санауыш
бірден (0,001 с) іске қосылады да, ол өзі M арнаулы тетікті іске қосады;
ол қозғалып тұрған таспаға белгі (сызық) соғады. Егер де шығарылатын сәуле
энергиясы барлық бағытта бірдей таралатын болса, онда санауыштың екеуі де
бір мезгілде іске қосылуы тиіс еді де, таспадағы белгілер біреуі екіншісіне
дәл тұспа-тұс келген болар еді. Шындығында, белгілердің тіпті ретсіз, қалай
болса солай орналасуы байқалады. Мұны сәуле шығарудың жеке актыларында
біресе бір бағытта, біресе басқа бағытта ұшып шығатын жарық бөлшектері
пайда болады деп қана түсіндіруге болады.
Сонымен, ерекше жарық бөлшектері – фотондардың бар екендігі тәжірибеде
расталды (фотоэффект, қара дене сәулесі). Фотондар. Қарастырылған
тәжірибелерде Эйнштейннің жарық кванттары – фотондар жайындағы гипотезасы
сенімді расталды.
Эйнштейннің гипотезасы бойынша жиілігі ω жарық – бұл шын мәнінде
энергиясы фотондар ағыны. Жарық вакуумда с жарық жылдамдығымен
таралады. Демек осындай жылдам-дықпен фотондар да таралады. Салыстырмалық
теориясы бойынша ( жылдамдықпен қозғалатын кез келген бөлшектің толық
энергиясы Е былай анықталады:
. (1)
Фотон жағдайында (=с, сонда осы өрнектің бөлімі нөлге айналады.
Энергиясы шектеулі фотон үшін, бұл m=0 болатын жағдайда ғана мүмкін болады.

Сонымен, біз тыныштық массасы нөлге тең бөлшекпен істес боламыз.
Қозғалыстағы бөлшектің Е энергиясы мен р импульсы арасындағы байланысты:
Е2 – р2(с2=m2(с4 (2)
пайдаланып, фотонның (m=0) Е= ħ (ω энергиясы ғана емес,
р= ħ(ωc= ħ (k (3)
импульсы да бар деген қорытындыға келеміз, өйткені , мұндағы k –
толқындық сан.

Сонымен, фотон бөлшек ретінде энергияға және импульсқа ие. Импульсты
векторлық түрде жазып, фотонның энергиясы мен импульсы үшін мына өрнектерді
аламыз:
, (4)
мұндағы – толқындық вектор, оның модулі k=2((.
2. Фотоэффект. Жарықтың корпускулалық қасиеттері жөніндегі гипотеза
классикалық электромагниттік теория тұрғысынан мүлдем түсініксіз болған
фотоэффект бойынша эксперимент нәтижелерін түсіндіруге мүмкіндік береді.
Енді осы мәселеге тоқталайық. Фотоэффект деп жарықтың әсерінен заттың
электрондарды шығаруын айтады. Фотоэффектің үш негізгі заңдылығы
тағайындалған:
1. Фотоэлектрондардың ең үлкен бастапқы жылдамдығы жарық жиілігімен
анықталады, ал жарық интенсивтігіне тәуелді емес.
2. Әрбір зат үшін фотоэффектің қызыл шекарасы болады, яғни сыртқы
фотоэффекті әлі де мүмкін ете алатын жарықтың ең кіші ω0 жиілігі болады.
3. Қанығу фототогы түсетін жарық ағынына пропорционал, яғни жарықтың
әрбір секундта жұлып шығаратын электрон саны түсетін жарық қуатына
пропорционал болады.
Жарықтың электромагниттік теориясына сүйеніп фотоэффект құбылысы
қасиеттерін ұғыну мүмкін емес (қызыл шекараның болуы, фотоэффекттің лезде
білінетін инерциясыздығы).
Фотоэффект заңдылықтарын түсіндірудегі қиындықтардың бәрі, егер
фотоэффекті жарық кванттары жайындағы Эйнштейннің гипотезасы негізінде
қарастырса, онда жойылады. Осы гипотезаға сәйкес катод бетіне түсетін
жиілігі ω монохроматты сәуле энергиялары , жарық кванттары – фотондар
ағыны ретінде қарастырылады, фотон жұтылғанда оның энергиясы бір электронға
бүтіндей беріледі. Сонымен, электрон кинетикалық энергияны біртіндеп емес,
лезде қабылдайды. Бұл фотоэффекттің инерциясыздығын түсіндіреді.
Эйнштейн формуласы. Электрон қабылдаған (( энергияның бір бөлігі оның
металдан шығуына жұмсалады. Ал қалған бөлігі металдан ұшып шыққан
фотоэлектронның кинетикалық энергиясына айналады. Электронның металдан
босап шығуы үшін қажетті ең аз энергияны, яғни потенциалдық тосқауылды жеңу
үшін энергияны, А шығу жұмысы деп атайды. Демек, кинетикалық энергиясы ең
үлкен фотоэлектрондар үшін фотонның элементар жұтылу актысындағы
энергияның сақталу заңын былай жазуға болады:
=А + Кmax. (5)
Осы формула фотоэффект үшін Эйнштейн теңдеуі деп аталады.
3. Тежеулік рентген сәулесі спектрінің қысқа толқындық шекарасы.
Егер энергия кванты А шығу жұмысынан әлдеқайда басым болса, онда
(5) Эйнштейн теңдеуі мына түрге келеді :
(( = Кmax . (6)
Осы өрнекті басқаша мағыналауға да болады: жарық кванты энергиясының
электронның кинетикалық энергиясына ауысуы емес, керісінше, U потенциалдар
айырымымен үдетілген электрондардың кинетикалық энергиясының электрондар
металда шұғыл тежелгенде пайда болатын кванттар энергиясына айналуы
ретінде деп, сонда
K=eU=((. (4)
Дәл осындай процесс рентгендік түтікшеде өтеді. Ол токпен қыздырылатын
катоды (термоэлектрондар көзі) және оған қарама-қарсы орналастырылған аноды
(антикатод деп аталатын) бар вакуумдық баллон. Электрондардың үдетілуі
катод пен антикатод арасына түсірілетін U жоғары кернеумен іске асырылады.
U кернеудің әсерінен электрондар энергияға дейін үдетіледі.
Металл антикатодқа түсіп, электрондар шұғыл тежеледі, осының салдарынан
тежеулік рентген сәулесі деп аталатын сәуле пайда болады.
Толқын ұзындық бойынша жіктелгенде осы сәуленің спектрі, көрінетін ақ
жарықтың спектрі сияқты, тұтас болып шығады. Және осы спектрдің қысқа
толқынды шекарасы болатындығы тағайындалған (2-сурет). Классикалық
электромагниттік теория тұрғысынан қысқа толқындық шекара жалпы болмауы
тиіс. Ал корпускулалық тұрғыдан қысқа толқындық шекараның болуы өте оңай
түсіндіріледі. Шынында да, егер сәуле электрон ... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.